WO2004008545A1 - 有機半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an organic semiconductor device having an organic semiconductor layer made of a carrier-mobile organic compound and a method for manufacturing the same.
  • a thickness direction of the organic semiconductor layer is determined by a gate electrode between a source electrode and a drain electrode sandwiching the organic semiconductor layer. Voltage can be applied to switch the current in the thickness direction of the organic semiconductor layer.
  • an organic semiconductor layer 13 was sandwiched between a pair of a source electrode 11 and a drain electrode 15 and a gate electrode 14 was formed halfway in the thickness direction of the organic semiconductor layer. It has a terminal structure.
  • the current between the source electrode and the drain electrode can be controlled by the depletion layer DpL formed in the organic semiconductor layer.
  • a plurality of depletion layers D p L of an organic semiconductor layer generated around a plurality of strip-shaped branches of a gate electrode 14 to which a positive charge is applied causes a source-to-drain electrode Prevents carrier movement in the film thickness direction.
  • the depletion layer D pL does not expand sufficiently, the gap W between the strip-shaped branches of the gate electrode 14 shown in FIG. 2 cannot be filled with the depletion layer D p L, and the leakage occurs.
  • the current increases. That is, it is necessary to form a gate electrode using a microstructured mask in order to prevent carrier movement and reduce the interval between the strip-shaped branches of the gate electrode in order to reduce leakage current.
  • the thickness of an organic semiconductor layer in an organic transistor having a SIT structure is several hundred nm, and a gate electrode to be formed between a source electrode and a drain electrode has a thickness of 50 to 100 nm. Then, when the organic semiconductor layer, the gate electrode, and the organic semiconductor layer are sequentially formed, the plurality of rectangular branches of the gate electrode are directly transferred to the organic semiconductor layer and the drain electrode that are laminated in a subsequent process. As a result, irregularities remain on the surface, which increases the leakage current.
  • One of the problems to be solved by the present invention is to provide an organic semiconductor element in which generation of a leakage current between electrodes is suppressed.
  • the organic semiconductor device of the present invention is an organic semiconductor device including a P-type organic semiconductor layer sandwiched between a source electrode and a drain electrode, wherein the n-type organic semiconductor is interposed between the P-type organic semiconductor layers. And a gate electrode embedded in the n-type organic semiconductor layer.
  • the organic semiconductor device of the present invention is an organic semiconductor device including an n-type organic semiconductor layer sandwiched between a source electrode and a drain electrode, wherein the p-type organic semiconductor layer is interposed between the n-type organic semiconductor layers.
  • An organic semiconductor device comprising: a layer; and a gate electrode embedded in the P-type organic semiconductor layer.
  • the organic semiconductor element of the present invention is an organic semiconductor element having an organic semiconductor layer sandwiched between a source electrode and a drain electrode and having carrier mobility, wherein the organic semiconductor element is embedded in the organic semiconductor layer and has the source electrode and the drain. It is characterized by having a gate electrode composed of at least two intermediate electrode pieces arranged on each of at least two planes juxtaposed apart from each other and arranged in the film thickness direction.
  • the method for producing an organic semiconductor device of the present invention is a method for producing an organic semiconductor device comprising an organic semiconductor layer formed between a source electrode and a drain electrode and embedding a gate electrode,
  • an embedding step of softening the formed organic semiconductor and embedding the intermediate electrode piece is included.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an organic transistor.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an organic transistor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • 5 to 11 are cross-sectional views illustrating a part of the manufacturing process of the organic transistor according to the embodiment of the present invention.
  • FIGS. 12 and 13 are explanatory diagrams of the operation of the organic transistor according to the embodiment of the present invention.
  • FIGS. 14 and 15 are cross-sectional views of an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing an organic transistor-type organic electroluminescence device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a sectional view of an organic transistor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • FIGS. 19 to 25 are cross-sectional views showing a part of the manufacturing process of the organic transistor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a sectional view of an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view showing an organic transistor-type organic electroluminescence device according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 29 to 31 are sectional views of an organic transistor according to another embodiment of the present invention. It is.
  • FIG. 3 shows a cross section of the organic transistor having the SIT structure according to the embodiment.
  • an lp-type organic semiconductor layer 13 P 1 a first n-type organic semiconductor layer 13 n 1, a gate electrode 14, and a second n-type organic semiconductor layer 1 are formed on the source electrode on the substrate 10.
  • 3 n 2 a second p-type organic semiconductor layer 13 p 2, and a drain electrode 15 are sequentially stacked.
  • These organic semiconductor layers have carrier mobility, and the lp-type organic semiconductor layer 13 p 1 and the second p-type organic semiconductor layer 13 p 2 are made of a p-type organic semiconductor material (hole transporting material).
  • the first n-type organic semiconductor layer 13 n 1 and the second n-type organic semiconductor layer 13 n 2 are made of an n-type material (electron transporting property). Such an element has a pnp junction, which is connected to the source electrode 11, the gate electrode 14, and the drain electrode 15 respectively. Therefore, the organic transistor according to the embodiment is an organic semiconductor device including a p-type organic semiconductor layer sandwiched between the source electrode 11 and the drain electrode 15 as a whole.
  • n-type organic semiconductor layer (In-type organic semiconductor layer 13 n 1 and second n-type organic semiconductor layer 13 n 1) interposed between the first p-type organic semiconductor layer 13 p 1 and the second p-type organic semiconductor layer 13 p 2) The movement of carriers is controlled by the n-type organic semiconductor layer 1 3 n 2).
  • the gate electrode 14 is embedded in the n-type organic semiconductor layer. As shown in FIG. 4, the gate electrode 14 is formed so as to cover the source electrode 11 and the drain electrode 15 when viewed from either side.
  • the organic transistor of this embodiment is manufactured, for example, as follows.
  • a source electrode 11 is formed on a substrate 10.
  • a source electrode 11 made of indium tin oxide (ITO) or chromium (Cr) is formed to a thickness of 50 nm by a sputtering method. Not only the source electrode but also a method such as vapor deposition, sputtering, or CVD can be used to form each electrode.
  • a porphyrin compound such as copper phthalocyanine (so-called CuPc) or tris is formed on the first p-type organic semiconductor layer 13 p 1 as an In-type organic semiconductor layer 13 n 1.
  • CuPc copper phthalocyanine
  • a 25-nm-thick quinoline derivative such as an aluminum complex (so-called Alq 3) is deposited by resistance heating evaporation.
  • a 1 is formed as a gate electrode 14 into a flat plate with a thickness of 50 nm by resistance heating evaporation. Note that it is also configured to cover a few nm thickness of the electron injection layer of the entire gate electrode 14 such as L i 0 2.
  • the same Cu Pc or A1q3 as the first n-type organic semiconductor layer has a thickness of 25 nm.
  • the same ⁇ -NPD as the first p-type organic semiconductor layer is formed as the second p-type organic semiconductor layer 13 p 2 to have a thickness of 2 ⁇ m. Deposit at 5 nm.
  • a 1 was formed as a drain electrode 15 with a thickness of 200 nm by resistance heating evaporation to form an organic transistor. You can make a rainbow.
  • the operation of the obtained organic transistor is a barrier when the drain electrode 15 is grounded, the potential of the source electrode 11 is set to +10 V, and the potential of the gate electrode 14 is set to +20 V. Rises to an off state.
  • the gate electrode 14 is opened while the drain electrode 15 is grounded and the potential of the source electrode 11 is set to +10 V, only the junction between the organic semiconductor layers is formed, so that the ON state is established. And the current flows.
  • the device includes a first n-type organic semiconductor layer 13 n1, a first p-type organic semiconductor layer 13 p1, a gate electrode 14, The second p-type organic semiconductor layer 13p2, the second n-type organic semiconductor layer 13n2, and the drain electrode 15 are sequentially stacked. Therefore, the organic transistor includes the first and second n-type organic semiconductor layers 13 nl and 13 n2 sandwiched between the source electrode 11 and the drain electrode 15 and the first p-type organic semiconductor layer sandwiched between the n-type organic semiconductor layers 13 n2.
  • Type organic semiconductor layer 13 p 1 and second p-type organic semiconductor layer 13 p 2 p-type organic semiconductor layer, and the first p-type organic semiconductor layer 13 p 1 and second p-type organic semiconductor layer 13 It can also be configured to have the gate electrode 14 embedded in p2.
  • the gate electrode 14 is formed in a plate shape, but in addition, as shown in FIG. 15, the gate electrode 14 may be formed into a plurality of strip-shaped branches. Can be formed in the shape of a blind. In this case, the gate electrode may have any shape as long as a voltage can be applied almost uniformly to the organic semiconductor layer in contact therewith.
  • the first p-type organic semiconductor layer 13 p 1 and the second p-type organic semiconductor layer 13 p 2 By providing an organic light-emitting layer 16 having an electron transporting property between the source electrode 11 and the first p-type organic semiconductor layer 13 p 1, an organic transistor-type organic electroluminescent device can be formed.
  • each of the organic material layers including the organic light-emitting layer composed of at least one thin film of an organic compound material exhibiting electoluminescence (EL), which emits light by current injection serves as an active element.
  • a plurality of provided organic EL elements can be formed on a display panel substrate in a predetermined pattern such as a matrix.
  • the organic EL element is formed by sequentially forming an organic material layer between a pair of electrode layers on a substrate, with a light extraction side being made of a transparent material.
  • the organic light emitting layer 16 is provided between the drain electrode 15 and the second p-type organic semiconductor layer 13 p 2, contrary to the one shown in FIG. You can also.
  • FIG. 17 shows a cross section of an organic transistor having an SIT structure according to another embodiment.
  • a p-type organic semiconductor layer 13 having carrier mobility is provided so as to be sandwiched between the source electrode 11 and the drain electrode 15.
  • the organic semiconductor layer 13 may be n-type (electron-transporting) in addition to p-type (hole-transporting), and can be formed of a material having at least one of a hole-transporting property and an electron-transporting property.
  • a gate electrode composed of two plate-like intermediate electrode pieces 14 a and 14 b is embedded. Intermediate electrode pieces 14 a and 14 b are sources
  • the electrode 11 and the drain electrode 15 are arranged in parallel and separated from each other. As shown in FIG.
  • the intermediate electrode pieces 14a and 14b are electrically connected to each other and complement each other as the gate electrode 14 when viewed from either side of the source electrode 11 and the drain electrode 15. It is formed so as to cover these electrodes.
  • the intermediate electrode pieces 14a and 14b are spaced apart from each other so as to be present in two planes between the source electrode 11 and the drain electrode 15, respectively. If it is between 15, it is also possible to provide intermediate electrode pieces in three or more planes.
  • the organic transistor of this embodiment is manufactured, for example, as follows.
  • a source electrode 11 is formed on a substrate 10.
  • a source electrode 11 made of indium tin oxide (ITO) or chromium (Cr) is formed to a thickness of 50 nm by a sputtering method.
  • ITO indium tin oxide
  • Cr chromium
  • not only the source electrode but also a method such as evaporation, sputtering, or CVD can be used for forming each electrode.
  • a 1 is first applied using a mask on a part of the upper plane of the first organic semiconductor layer 13 a so as to cover a part of the source electrode 11 through the first organic semiconductor layer 13 a.
  • the intermediate electrode piece 14a is formed into a flat plate with a thickness of 50 nm by resistance heating evaporation.
  • the other part of the first organic semiconductor layer 13a and the first On the inter-electrode piece 14a the same ⁇ -NPD as the first organic semiconductor layer is formed as the second organic semiconductor layer 13b with a film thickness of about 50 nm.
  • the entire substrate 10 is heated to a temperature equal to or higher than the glass transition point of the organic semiconductor layer and equal to or lower than the melting point. That is, the first intermediate electrode piece 14a is embedded in the second organic semiconductor layer 13b by heating at a temperature 10 to 50 higher than 96, which is the glass transition temperature of ⁇ -NPD, for example, at 130 for 10 minutes. Then, the surface of the second organic semiconductor layer 13b is flattened.
  • the second organic semiconductor layer 13 b softens and fuses with the first organic semiconductor layer 13 a by gravity and surface tension.
  • the heat treatment can be performed in the air, but is preferably performed in a vacuum chamber or in a chamber purged with nitrogen from the viewpoint of preventing material deterioration and contamination.
  • the softening temperature in the case of an organic material having a glass transition point of 96, the heating time required for softening at a heating temperature of about 150 is about 5 minutes.
  • the entire substrate is heated by a heater in a reduced pressure or vacuum chamber, but the heating means may be a halide lamp or the like.
  • a 1 is formed on a part of the upper plane of the second organic semiconductor layer 13 b by using a mask so as to cover the other part of the source electrode 11 through this.
  • the intermediate electrode piece 14b is formed into a flat plate with a thickness of 50 nm by resistance heating evaporation.
  • the second intermediate electrode piece 14b and the first intermediate electrode piece 14a are formed so as to complement each other and cover the source electrode 11.
  • the first intermediate electrode piece 14a and the second intermediate electrode piece 14b may be formed so as to provide an overlapping portion DP that is separated from the second organic semiconductor layer 13b.
  • the second intermediate electrode piece 14b is electrically connected to the first intermediate electrode piece 14a, and is formed to have the same potential as the gate electrode.
  • the distance between the first intermediate electrode piece 14a and the second intermediate electrode piece 14b becomes shorter than that of the conventional gate electrode in one plane.
  • the booklet portion can be formed smaller than a mask formed by using a mask, can be formed close to each other with a thin film thickness, and can be formed with high accuracy and a distance between both electrodes.
  • the first organic semiconductor layer 13 c is formed as the third organic semiconductor layer 13 c.
  • the same ⁇ -NPD is formed with a film thickness of about 50 nm.
  • the entire substrate 10 is heated to a temperature equal to or higher than the glass transition point of the organic semiconductor layer and equal to or lower than the melting point, that is, the second intermediate electrode piece 14b is embedded in the third organic semiconductor layer 13c. Perform a surface flattening process.
  • A1 is formed as the drain electrode 15 with a thickness of 200 nm by a resistance heating evaporation method. Since the heat treatment is performed after the organic semiconductor layer is formed, the organic semiconductor layer is flattened, so that an organic transistor having a uniform organic semiconductor layer without unevenness can be manufactured.
  • the first, second, and third organic semiconductor layers 13a, 13b, and 13c are formed from an a-NPD film of a p-type material. Good.
  • the organic semiconductor layer may be at least one of an electron transporting material and a hole transporting material.
  • the intermediate electrode pieces 14a and 14b are formed in a plate shape, but in addition, as shown in FIG. 26, the source electrode 11 and the drain electrode 15 are formed.
  • the intermediate electrode pieces 14a and 14b of the gate electrode in the two planes between them can be formed into a plurality of strip-shaped branches, respectively, and can be formed in a comb shape or a cord shape, respectively.
  • the intermediate electrode pieces 14a and 14b are electrically connected to each other and serve as the gate electrode 14 from either side of the source electrode 11 or the drain electrode 15. When viewed, they are formed so as to complement each other and cover these electrodes. Further, as shown in FIG.
  • the first, second, and third organic semiconductor layers 13a, 13b, and 13c are formed by a hole transport layer.
  • an organic light-emitting layer 16 having an electron-transporting property between the source electrode 11 and the first organic semiconductor layer 13a an organic transistor-type organic electroluminescence element can be formed.
  • each of the active elements is provided with an organic material layer including at least one organic light emitting layer formed of a thin film of an organic compound material exhibiting elector emission luminescence (hereinafter also referred to as EL) that emits light by current injection.
  • EL elector emission luminescence
  • a plurality of organic EL elements can be formed on a display panel substrate in a predetermined pattern such as a matrix.
  • the organic EL device is configured by sequentially forming an organic material layer between a pair of electrode layers on a substrate, with a light extraction side made of a transparent material.
  • the organic light emitting layer 16 may be provided between the drain electrode 15 and the third organic semiconductor layer 13c, contrary to the one shown in FIG. it can.
  • the first intermediate electrode piece 14 a and the second intermediate electrode piece 14 b are connected to the second organic semiconductor layer 1. It may be formed so as not to provide an overlapping portion which is separated by 3b.
  • an intermediate electrode piece 14 a of a gate electrode is provided on each of three planes between a source electrode 11 and a drain electrode 15. , 14b and 14c are laminated, and each of them can be formed as a plurality of strip-shaped branches in a comb shape or a cord shape.

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Abstract

ソース電極及びドレイン電極間に挟持されたｐ型有機半導体層を備えた有機半導体素子において、ｐ型有機半導体層の中間に介在されたｎ型有機半導体層と、ｎ型有機半導体層に包埋されたゲート電極と、を備える。ソース電極及びドレイン電極間に挟持されたｎ型有機半導体層を備えた有機半導体素子において、ｎ型有機半導体層の中間に介在されたｐ型有機半導体層と、ｐ型有機半導体層に包埋されたゲート電極と、を備え電極間の漏れ電流の発生を抑制する。また、有機半導体素子はソース電極及びドレイン電極間に挟持されかつキャリア移動性を有する有機半導体層を備え、さらに、有機半導体層に包埋されかつソース電極及びドレイン電極間に離間して並設された少なくとも２つの平面の各々に配置されかつ膜厚方向において配置された少なくとも２つの中間電極片からなるゲート電極を有する。有機半導体層の融解によりゲート電極が包埋される。

Description

明細書 有機半導体素子及びその製造方法
技術分野
本発明は、 キャリア移動性の有機化合物からなる有機半導体層を備えた有機 半導体素子及びその製造方法に関する。
背景技術
有機半導体層に電圧を加えると有機半導体層に電荷密度が増加するので、 有 機半導体層上に 1対の電極を設けその間に電流を流すことが可能になる。 例え ば、 縦型構造の S I T (静電誘導形トランジスタ） 構造の有機トランジスタな どの有機半導体素子においては、 有機半導体層を挟むソース電極及びドレイン 電極の間のゲート電極で有機半導体層の厚さ方向に電圧を印加して、 有機半導 体層の厚さ方向の電流をスィツチングできる。
S I Tは、 図 1に示すように、 有機半導体層 1 3を 1対のソース電極 1 1及 びドレイン電極 1 5で挟み、 有機半導体層の厚さ方向の途中にゲート電極 1 4 を形成した 3端子構造を有する。 そのゲート電極に電圧を印加し、 有機半導体 層にできる空乏層 D p Lによってソース電極及びドレイン電極間の電流を制御 することができる。
S I T構造の有機トランジスタでは、 例えば、 正電荷を印加したゲート電極 1 4の複数の短冊形枝部の周りに生じる有機半導体層の複数の空乏層 D p Lに よって、ソース電極及びドレイン電極間の膜厚方向のキャリア移動を阻止する。 しかしながら、 空乏層 D p L各々の拡がりが不十分であると、 図 2に示すゲ ート電極 1 4の短冊形枝部の間隔 Wを空乏層 D p Lで埋めることができず、 漏 れ電流が増加する。 すなわち、 キャリア移動を阻止し漏れ電流減少のためにゲ ート電極の短冊形枝部の間隔を狭めるには、 微細構造のマスクを用いたゲート 電極の形成が必要となる。
一般に、 S I T構造の有機トランジスタにおける有機半導体層の膜厚は数百 n mであり、 ソース電極及びドレイン電極の間に形成されるべきゲート電極も 5 0〜1 0 0 n mといった厚さとなる。そうすると有機半導体層、ゲート電極、 有機半導体層と順次成膜した際、 有機トランジスタは、 ゲート電極の複数の短 冊形枝部が、 そのまま、 その後工程で積層される有機半導体層やドレイン電極 に転写され、 表面に凹凸が残ってしまい、 漏れ電流の増加に影響する。
本発明の解決しょうとする課題には、 電極間の漏れ電流の発生を抑制した有 機半導体素子を提供することが一例として挙げられる。
発明の開示
本発明の有機半導体素子は、 ソース電極及びドレイン電極間に挟持された P 型有機半導体層を備えた有機半導体素子であつて、 前記 P型有機半導体層の中 間に介在された n型有機半導体層と、 前記 n型有機半導体層に包埋されたゲー ト電極と、 を備えたことを特徴とする。
本発明の有機半導体素子は、 ソース電極及びドレイン電極間に挟持された n 型有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、 前記 n型有機半導体層の中 間に介在された P型有機半導体層と、 前記 P型有機半導体層に包埋されたゲ一 ト電極と、 を備えたことを特徴とする有機半導体素子。 本発明の有機半導体素子は、 ソース電極及びドレイン電極間に挟持されかつ キャリア移動性を有する有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、 前記 有機半導体層に包埋されかつ前記ソース電極及びドレイン電極間に離間して並 設された少なくとも 2つの平面の各々に配置されかつ膜厚方向において配置さ れた少なくとも 2つの中間電極片からなるゲート電極を有することを特徴とす る。
本発明の有機半導体素子の製造方法は、 ソース電極及びドレイン電極間に成 膜されかつゲート電極を包埋する有機半導体層を備えた有機半導体素子の製造 方法であって、
ソース電極及びドレイン電極のいずれか上に、 第 1有機半導体層を形成する 第 1有機半導体層積層工程と、
前記第 1有機半導体層上の一部に第 1中間電極片を形成する第 1中間電極片 積層工程と、
前記第 1有機半導体層及び前記第 1中間電極片上に、 第 2有機半導体層を形 成する第 2有機半導体層積層工程と、
前記第 2有機半導体層上の一部に、 前記第 1中間電極片とともに前記ソース 電極及びドレイン電極を互いに補完して覆うように、 第 2中間電極片を形成す る第 2中間電極片積層工程と、
前記第 2有機半導体層及び前記第 2中間電極片上に、 第 3有機半導体層を形 成する第 3有機半導体層積層工程と、 を含み、
前記第 2及び第 3有機半導体層積層工程において、 形成された有機半導体を 軟化せしめ前記中間電極片を包埋する包埋工程と、 を含むことを特徴とする。 図面の簡単な説明
図 1は、 有機トランジスタを示す断面図である。
図 2は、 図 1の線 AAにおける断面図である。
図 3は、 本発明による実施形態の有機トランジス夕の断面図である。
図 4は、 図 3の線 AAにおける断面図である。
図 5〜図 1 1は、 本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の一 部を示す断面図である。
図 1 2及び図 1 3は、 本発明による実施形態の有機トランジスタの動作説明 図である。
図 1 4及び図 1 5は、 本発明による他の実施形態の有機トランジスタの断面 図である。
図 1 6は、 本発明による他の実施形態の有機トランジスター体型有機エレク トロルミネッセンス素子を示す断面図である。
図 1 7は、 本発明による実施形態の有機トランジスタの断面図である。
図 1 8は、 図 1 7の線 AAにおける断面図である。
図 1 9〜図 2 5は、 本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の 一部を示す断面図である。
図 2 6は、 本発明による他の実施形態の有機トランジスタの断面図である。 図 2 7は、 図 2 6の線 A Aにおける断面図である。
図 2 8は、 本発明による他の実施形態の有機トランジスター体型有機エレク トロルミネッセンス素子を示す断面図である。
図 2 9〜図 3 1は、 本発明による他の実施形態の有機トランジスタの断面図 である。
発明を実施するための形態
本発明による有機半導体素子の実施形態例として有機トランジスタを図面を 参照しつつ説明する。
図 3は、 実施形態の S I T構造の有機トランジスタの断面を示す。 有機トラ ンジス夕において、 基板 1 0上のソース電極上に、 第 l p型有機半導体層 1 3 P 1、 第 1 n型有機半導体層 13 n 1、 ゲート電極 14、 第 2 n型有機半導体 層 1 3 n 2、 第 2 p型有機半導体層 1 3 p 2及びドレイン電極 1 5が順に積層 されている。 これら有機半導体層はキャリア移動性を有しており、 第 l p型有 機半導体層 13 p 1及び第 2 p型有機半導体層 1 3 p 2は p型有機半導体材料 (正孔輸送性） からなり、 第 I n型有機半導体層 13 n 1及び第 2 n型有機半 導体層 1 3 n 2は n型材料 （電子輸送性） からなる。 かかる素子は pn pの接 合を備え、 それぞれがソース電極 1 1、 ゲート電極 14及びドレイン電極 1 5 に接続されている。 よって、 実施形態の有機トランジスタは、 全体として、 ソ ース電極 1 1及びドレイン電極 1 5間に挟持された p型有機半導体層を備えた 有機半導体素子であって、 この p型有機半導体層 （第 1 p型有機半導体層 1 3 p 1及び第 2 p型有機半導体層 1 3 p 2) の間に介在された n型有機半導体層 (第 I n型有機半導体層 1 3 n 1及び第 2 n型有機半導体層 1 3 n 2) によつ て、 キャリアの移動が制御される。 かかる n型有機半導体層へ制御用の電圧を 一様に印加するため、 ゲート電極 14が n型有機半導体層に包埋されている。 図 4に示すように、 ゲート電極 14はソース電極 1 1及びドレイン電極 1 5 のどちら側から見ても、 これら電極を覆うように、 形成されている。 この実施形態の有機トランジスタは、 例えば、 次のように製造される。
まず、 図 5に示すように、 基板 10上にソース電極 1 1を形成する。 例えば スパッ夕法によりインジウム錫酸化物 （I TO) 又はクロム （C r) からなる ソース電極 1 1を膜厚 50 nmで成膜する。 なお、 ソース電極に限らず各電極 形成には蒸着、 スパッタ、 CVDなどの方法を用いることができる。
次に、 図 6に示すように、 ソース電極 1 1上に、 第 l p型有機半導体層 13 p iとして、 4, 4' ビス [N— (1—ナフチル） 一 N—フエニルァミノ] ― ビフエニル （いわゆる、 ひ一 NPD) を膜厚 25 nmで抵抗加熱蒸着により成 膜する。
次に、 図 7に示すように、 第 1 p型有機半導体層 13 p 1上に、 第 I n型有 機半導体層 13 n 1として、 銅フタロシアニン （いわゆる、 CuP c) などの ポルフィリン化合物又はトリス （8—ヒドロキシキノリン） アルミニウム錯体 (いわゆる、 A l q 3) などのキノリン誘導体を膜厚 25 nmで抵抗加熱蒸着 により成膜する。
次に、 図 8に示すように、 A 1をゲート電極 14として膜厚 50 nmで抵抗 加熱蒸着法により平板状に形成する。 なお、 ゲート電極 14全体を例えば L i 02などの電子注入層の数 n m膜厚で被覆するようにも構成できる。
次に、 図 9に示すように、 ゲート電極 14上に、 第 2 n型有機半導体層 13 n 2として、 第 1 n型有機半導体層と同じ Cu P c又は A 1 q 3を膜厚 25 n mで抵抗加熱蒸着により成膜する。
次に、 図 10に示すように、 第 2 n型有機半導体層 13 n 2上に、 第 2 p型 有機半導体層 13 p 2として第 1 p型有機半導体層と同じ α— NPDを膜厚 2 5 nmで成膜する。
最後に、 図 1 1に示すように、 第 2 p型有機半導体層 1 3 p 2上に、 ドレイ ン電極 1 5として A 1を膜厚 200 nmで抵抗加熱蒸着法で成膜して有機トラ ンジス夕が作製できる。
得られた有機トランジスタの動作は、 図 12に示すように、 例えばドレイン 電極 15接地して、 ソース電極 1 1の電位を + 10V とした状態で、 ゲート電 極 14の電位を +20V とすると障壁が高くなりオフ状態となる。 一方、 図 1 3に示すように、 同じくドレイン電極 1 5接地でソース電極 1 1の電位を + 1 0V とした状態で、 ゲート電極 14を開放すると有機半導体層同士の接合だけ となるのでオン状態となり、 電流が流れる。
なお、 上記実施形態では、 pn p接合の例を示したが、 np n接合でも構成 できる。 この場合の素子は、 図 14に示すように、 基板 1 0上のソース電極上 に、 第 1 n型有機半導体層 13 n 1、 第 1 p型有機半導体層 1 3 p 1、 ゲート 電極 14、 第 2 p型有機半導体層 13 p 2、 第 2 n型有機半導体層 1 3 n 2及 びドレイン電極 1 5が順に積層される。 よって、 有機トランジスタは、 ソース 電極 1 1及びドレイン電極 15間に挟持された第 1及び第 2 n型有機半導体層 1 3 n l及び 1 3 n 2の n型有機半導体層に挟持された第 1 p型有機半導体層 1 3 p 1及び第 2 p型有機半導体層 13 p 2の p型有機半導体層を備え、かつ、 第 1 P型有機半導体層 1 3 p 1及び第 2 p型有機半導体層 13 p 2に包埋され たゲート電極 14を有するように、 構成することもできる。
また、 上記実施形態では、 ゲート電極 14は平板状に成膜しているが、 この 他に、 図 1 5に示すように、 ゲート電極 14は複数の短冊形枝部とした櫛状又 は簾状で形成され得る。 この場合、 ゲート電極は接触する有機半導体層にほぼ 一様に電圧を印加できる形状であればよい。
さらに、 図 1 6に示すように、 上記 S I T構造の有機トランジスタの構造に おいて、 第 1 p型有機半導体層 1 3 p 1及び第 2 p型有機半導体層 1 3 p 2を 正孔輸送層としてソース電極 1 1及び第 1 p型有機半導体層 1 3 p 1間に電子 輸送性の有機発光層 1 6を設けることによって、 有機トランジスター体型有機 エレクト口ルミネッセンス素子を構成できる。 これにより、 電流の注入によつ て発光するエレクト口ルミネッセンス （以下、 E Lともいう） を呈する有機化 合物材料の少なくとも 1つの薄膜からなる有機発光層を含む有機材料層を各々 がアクティブ素子を備えた複数の有機 E L素子を、 マトリクスなどの所定パタ ーンにて表示パネル基板上に形成できる。
有機 E L素子は、 光を取り出す側を ¾明材料で構成して基板上の 1対の電極 層間に、 有機材料層を順次積層されて構成される。 例えば、 トップエミッショ ン構成の場合には、 図 1 6に示すものとは、 逆に、 ドレイン電極 1 5と第 2 p 型有機半導体層 1 3 p 2との間に有機発光層 1 6を設けることもできる。
図 1 7は、 他の実施形態の S I T構造の有機トランジスタの断面を示す。 基 板 1 0上において、 キャリア移動性を有する例えば p型有機半導体層 1 3は、 ソース電極 1 1及びドレイン電極 1 5の間に挟持されるように、 設けられてい る。 有機半導体層 1 3は p型 （正孔輸送性） の他に、 n型 （電子輸送性） でも よく、正孔輸送性及び電子輸送性の少なくとも一方を有する材料で形成できる。 有機半導体層 1 3には、 それぞれ平板状の 2つの中間電極片 1 4 a 及び 1 4 b からなるゲート電極が包埋されている。 中間電極片 1 4 a及び 1 4 bはソース 電極 1 1及びドレイン電極 1 5の間に平行に離間して配置されている。 図 1 8 に示すように、 中間電極片 14a及び 14 bは互いに電気的に接続されてゲ一 ト電極 14として、 ソース電極 1 1及びドレイン電極 1 5のどちら側から見て も、 互いに補完してこれら電極を覆うように、 形成されている。 なお、 中間電 極片 14a及び 14 bはソース電極 1 1及びドレイン電極 15の間の 2つの平 面内にそれぞれ存在するように離間して設けられているが、 ソース電極 1 1及 びドレイン電極 15の間であれば、 3以上の平面内にそれぞれに中間電極片を 設けることもできる。
この実施形態の有機トランジスタは、 例えば、 次のように製造される。
まず、 図 1 9に示すように、 基板 10上にソース電極 1 1を形成する。 例え ばスパッタ法によりインジウム錫酸化物 （I TO) 又はクロム （C r) からな るソース電極 1 1を膜厚 50 nmで成膜する。 なお、 ソース電極に限らず各電 極形成には蒸着、 スパッ夕、 CVDなどの方法を用いることができる。
次に、 図 20に示すように、 ソース電極 1 1上に、 第 1有機半導体層 1 3a として、 4， 4， ビス [N— (1—ナフチル） 一 N—フエニルァミノ] —ビフ ェニル （いわゆる、 α— NPD) を膜厚 5 O nmで抵抗加熱蒸着により成膜す る。
次に、 図 2 1に示すように、 第 1有機半導体層 13 aの上部平面の一部分上 に、 これを介してソース電極 1 1の一部分を覆うように、 マスクを用いて A 1 を第 1中間電極片 14a として膜厚 50 nmで抵抗加熱蒸着法により平板状に 形成する。
次に、 図 22に示すように、 第 1有機半導体層 1 3aの他の部分及び第 1中 間電極片 14a上に、 第 2有機半導体層 1 3 bとして第 1有機半導体層と同じ α— NPDを膜厚 50 nm程度で成膜する。 次に、 基板 1 0全体を有機半導体 層のガラス転移点以上融点以下の温度に加熱する。 すなわち、 α— NPDのガ ラス転移温度である 96 よりも 10〜50で高い温度、 例えば 1 30 で 1 0分間、加熱して第 1中間電極片 14aを第 2有機半導体層 13 bで包埋して、 第 2有機半導体層 13 bの表面の平坦化処理を行う。 第 2有機半導体層 1 3 b が軟化して、 重力及び表面張力によって、 第 1有機半導体層 13aと融合する。 加熱処理は大気中でも可能であるが、 材料劣化や汚染防止の点から真空チャン バ内又は窒素置換されたチャンバ内で処理される方が好ましい。 軟化温度とし ては、 ガラス転移点が 96での有機材料の場合、 1 50 程度の加熱温度で軟 化にかかる加熱時間は 5分程度である。 なお、 基板全体は減圧又は真空チャン バ内でヒータで加熱されるが、 加熱手段はハライドランプなどでもよい。
次に、 図 23に示すように、 第 2有機半導体層 13 bの上部平面の一部分上 に、 これを介してソース電極 1 1の他の部分を覆うように、 マスクを用いて A 1を第 2中間電極片 14 bとして膜厚 50 nmで抵抗加熱蒸着法により平板状 に形成する。 ここで、 第 2中間電極片 14 b及び第 1中間電極片 14a は互い に補完してソース電極 1 1を覆うように、 形成される。 第 1中間電極片 14a 及び第 2中間電極片 14 bは図 24に示すように、 第 2有機半導体層 1 3 bを 挟んで離間した重複部分 DPを設けるように形成してもよい。 第 2中間電極片 14 bは第 1中間電極片 14a に電気的に接続されゲート電極の同一電位とな り得るよう成膜される。 第 2有機半導体層 1 3 bの成膜により、 第 1中間電極 片 14a及び第 2中間電極片 14 b間の距離は従来の 1平面内のゲート電極短 冊枝部をマスクで形成するより小さく、 薄膜の膜厚で近接して形成でき、 かつ 精度が高く両電極間隔を保って形成できる。
次に、 図 2 4に示すように、 第 2有機半導体層 1 3 bの他の部分及び第 2中 間電極片 1 4 b上に、 第 3有機半導体層 1 3 cとして第 1有機半導体層と同じ α— N P Dを膜厚 5 0 n m程度で成膜する。 次に、 上記同様に基板 1 0全体を 有機半導体層のガラス転移点以上融点以下の温度に加熱、 すなわち第 2中間電 極片 1 4 bを第 3有機半導体層 1 3 cで包埋して、 表面の平坦化処理を行う。 最後に、 図 2 5に示すように、 第 3有機半導体層 1 3 c上に、 ドレイン電極 1 5として A 1を膜厚 2 0 0 n mで抵抗加熱蒸着法で成膜する。 有機半導体層 成膜後に熱処理を行うため有機半導体層が平坦化され、 凹凸のない均一な有機 半導体層を有する有機トランジス夕が作製できる。
なお、 上記実施形態では、 第 1、 第 2及び第 3有機半導体層 1 3 a、 1 3 b 及び 1 3 cを p型材料の a— N P Dを成膜しているが、 η型材料としてもよい。 有機半導体層は電子輸送性及び正孔輸送性の少なくとも一方の材料であればよ い。
また、 上記実施形態では、 中間電極片 1 4 a及び 1 4 bは平板状に成膜して いるが、 この他に、 図 2 6に示すように、 ソース電極 1 1及びドレイン電極 1 5の間の 2平面におけるゲート電極の中間電極片 1 4 a及び 1 4 bは、 それぞ れ複数の短冊形枝部とし、それぞれ櫛状又は簾状で形成され得る。 この場合も、 図 2 7に示すように、 中間電極片 1 4 a及び 1 4 bは互いに電気的に接続され てゲート電極 1 4として、 ソース電極 1 1及びドレイン電極 1 5のどちら側か ら見ても、 互いに補完してこれら電極を覆うように、 形成される。 さらに、 図 2 8に示すように、 上記 S I T構造の有機トランジスタの構造に おいて、 第 1、 第 2及び第 3有機半導体層 1 3 a、 1 3 b及び 1 3 cを正孔輸 送層としてソース電極 1 1及び第 1有機半導体層 1 3 a間に電子輸送性の有機 発光層 1 6を設けることによって、 有機トランジスター体型有機エレクトロル ミネッセンス素子を構成できる。 これにより、 電流の注入によって発光するェ レクト口ルミネッセンス （以下、 E Lともいう） を呈する有機化合物材料の少 なくとも 1つの薄膜からなる有機発光層を含む有機材料層を各々がアクティブ 素子を備えた複数の有機 E L素子を、 マトリクスなどの所定パターンにて表示 パネル基板上に形成できる。
有機 E L素子は、 光を取り出す側を透明材料で構成して基板上の 1対の電極 層間に、 有機材料層を順次積層されて構成される。 例えば、 トップエミッショ ン構成の場合には、 図 2 8に示すものとは、 逆に、 ドレイン電極 1 5と第 3有 機半導体層 1 3 cとの間に有機発光層 1 6を設けることもできる。
また、 本発明による他の実施形態の有機トランジスタでは図 2 9及び図 3 0 に示すように、 第 1中間電極片 1 4 a及び第 2中間電極片 1 4 bを、 第 2有機 半導体層 1 3 bを挟んで離間した重複部分を設けないように形成してもよい。 さらに、 図 3 1に示すように、 本発明による他の実施形態の有機トランジス タでは、 ソース電極 1 1及びドレイン電極 1 5の間の 3平面のそれぞれにゲー ト電極の中間電極片 1 4 a、 1 4 b及び 1 4 cを積層し、 それぞれ複数の短冊 形枝部として櫛状又は簾状で形成され得る。

Claims

請求の範囲
1 . ソース電極及びドレイン電極間に挟持された p型有機半導体層を 備えた有機半導体素子であって、 前記 p型有機半導体層の中間に介在された n 型有機半導体層と、 前記 n型有機半導体層に包埋されたゲート電極と、 を備え たことを特徴とする有機半導体素子。
2 . 前記ゲート電極は平板状であることを特徴とする請求項 1記載の 有機半導体素子。
3 . 前記ゲート電極は櫛状又は簾状であることを特徴とする請求項 1 記載の有機半導体素子。
4. ソース電極及びドレイン電極間に挟持された n型有機半導体層を 備えた有機半導体素子であって、 前記 n型有機半導体層の中間に介在された p 型有機半導体層と、 前記 p型有機半導体層に包埋されたゲート電極と、 を備え たことを特徴とする有機半導体素子。
5 . 前記ゲ一ト電極は平板状であることを特徴とする請求項 4記載の 有機半導体素子。
6 . 前記ゲート電極は櫛状又は簾状であることを特徴とする請求項 4 記載の有機半導体素子。
7 . ソース電極及びドレイン電極間に挟持されかつキヤリァ移動性を 有する有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、 前記有機半導体層に包 埋されかつ前記ソース電極及びドレイン電極間に離間して並設された少なくと も 2つの平面の各々に配置されかつ膜厚方向において配置された少なくとも 2 つの中間電極片からなるゲート電極を有することを特徴とする有機半導体素子。
8 . 前記中間電極片は平板状であることを特徴とする請求項 7記載の 有機半導体素子。
9 . 前記中間電極片は櫛状又は簾状であることを特徴とする請求項 7 記載の有機半導体素子。
1 0 . 前記有機半導体層は電子輸送性及び正孔輸送性の少なくとも一 方を有する材料であることを特徵とする請求項 7〜 9のいずれかに記載の有機 半導体素子。
1 1 . 前記中間電極片は前記有機半導体層の一部を挟んで離間した重 複部分を有することを特徴とする請求項 7〜 1 0のいずれかに記載の有機半導 体素子。
1 2 . ソース電極及びドレイン電極間に成膜されかつゲート電極を包 埋する有機半導体層を備えた有機半導体素子の製造方法であって、
ソース電極及びドレイン電極のいずれか上に、 第 1有機半導体層を形成する 第 1有機半導体層積層工程と、
前記第 1有機半導体層上の一部に第 1中間電極片を形成する第 1中間電極片 積層工程と、
前記第 1有機半導体層及び前記第 1中間電極片上に、 第 2有機半導体層を形 成する第 2有機半導体層積層工程と、
前記第 2有機半導体層上の一部に、 前記第 1中間電極片とともに前記ソース 電極及びドレイン電極を互いに補完して覆うように、 第 2中間電極片を形成す る第 2中間電極片積層工程と、
前記第 2有機半導体層及び前記第 2中間電極片上に、 第 3有機半導体層を形 成する第 3有機半導体層積層工程と、 を含み、
前記第 2及び第 3有機半導体層積層工程において、 形成された有機半導体を 軟化せしめ前記中間電極片を包埋する包埋工程と、 を含むことを特徴とする有 機半導体素子の製造方法。
1 3 . 前記包埋工程は、 前記第 1有機半導体層をそのガラス転移点以 上融点以下の温度に加熱することを特徴とする請求項 1 2記載の有機半導体素 子の製造方法。
1 4 . 前記有機半導体層は、 蒸着により形成されることを特徴とする 請求項 1 2記載の有機半導体素子の製造方法。
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